第４３卷第４期 延边大学学报（自然科学版） Ｖｏ１．４３ Ｎｏ．４ ２０１７年１２月 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｙａｎｂｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ） Ｄｅｃ．２０１７ 文章编号：１００４—４３５３（２０１７）０４—０３７１—０４ 嘎呀河流域径流量的时间变化研究 孙冀程， 赵春子 ， 金爱芬 （延边大学理学院地理系，吉林延吉１３３０００） 摘要：以图们江流域嘎呀河１９５６—２ｏ１５年水文序列资料为基础，利用累积距平法、Ｐｅｔｔｉｔｔ检验法等方法，分 析此时间段内该河水文突变情况；然后通过对河流序列进行水文时序分析和小波分析，得到该河水文序列的 状态．研究表明：嘎呀河流域水文序列存在突变的年份为１９８５、１９９５、２００２年和２０１２年，水文序列的突变周期 为５年． 关键词：突变点；时序分析；天然径流量；嘎呀河 中图分类号：Ｐ３３９ 文献标识码：Ａ Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｔｉｍｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎ ｏｆ ｒｕｎｏｆｆ ｉｎ Ｇａｙａ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ＳＵＮ Ｊｉｃｈｅｎｇ， ＺＨＡＯ Ｃｈｕｎｚｉ ，ＪＩＮ Ａｉｆｅｎ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｇｅｏｇｒａｐｈｙ，Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｙａｎｂｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｙａｎｊｉ １３３０００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｄａｔａ ｏｆ Ｇａｙａ ｒｉｖｅｒ ｉｎ Ｔｕｍｅｎ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｆｒｏｍ １９５６ ｔＯ ２０１５，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ａｂｒｕｐｔ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｉｓ ｔｉｍｅ ｐｅｒｉｏｄ ｂｙ ｍｅａｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｍｕｌａｔｉｖｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ｔｈｅ Ｐｅｔｔｉｔｔ ｍｅｔｈｏｄ，ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｎａｌｙｚｅｄ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒ ｓｅｒｉｅｓ．Ａｎｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｔｉｍｅ ｓｅｒｉｅｓ ａｎｄ ｗａｖｅｌｅｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ ｒｉｖｅｒ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅ，ｗｅ ｇｅｔ ｓｅ— ｑｕｅｎｃｅ ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｇａｙａ ｒｉｖｅｒ．Ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｙｅａｒｓ ｏｆ ａｂｒｕｐｔ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅｑｕｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ Ｇａｙａ ｒｉｖｅｒ Ｂａｓｉｎ ａｒｅ １９８５，１９９５，２００２ ａｎｄ ２０１２，ａｎｄ ｔｈｅ ｐｅｒｉｏｄ ｏｆ ａｂｒｕｐｔ ｃｈａｎｇｅ ｏｆ ｔｈｅ ｈｙｄｒｏｌｏｇｉｃａｌ ｓｅ— ｑｕｅｎｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｒｉｖｅｒ ｂａｓｉｎ ｉｓ ５ ｙｅａｒｓ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｕｔａｔｉｏｎ ｐｏｉｎｔ；ｔｉｍｉｎｇ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｎａｔｕｒａｌ ｒｕｎｏｆｆ；Ｇａｙａ ｒｉｖｅｒ ０ 引言 徐万玲等 。 指出图们江干流中游年径流量减少 且年内分布均匀度下降，汛期暴雨集中，易发生洪 水资源作为影响流域社会经济发展的自然要 涝灾害．嘎呀河是图们江干流的最大支流，目前为 素，其变化趋势对水资源可持续利用具有十分重 止仅有文献［４］和文献［５］分别对该流域的降水变 要的意义．图们江流域作为长吉图开发开放先导 化趋势及突变、水资源现状进行过研究．张丹荣 区的重要组成部分，在气候和人类活动的影响下， 等Ｅ６］对海流兔河径流量年内分配及变化趋势的研 流域的水文序列也不断发生变化，突变水文值也 究表明，径流的变化与水资源变化密切相关．基于 频频出现，由此引发的洪涝灾害给流域范围内的 此，本文根据嘎呀河流域１９５６－－２０１５年的实测年 人民生命和财产安全带来了严重威胁；因此，研究 径流数据，对流域内径流周期变化进行研究，并进 图们江流域的水文状况对该区域的经济和社会发 行反演，以期为流域水资源调节、开发利用、生态 展具有重要意义．马静等 认为图们江流域水文 环境保护等方面提供参考． 序列变异的典型表现是径流减少，洪峰流量增大； 收稿日期：２０１７一Ｏ７—１４ ＊通信作者：赵春子（１９７７一），女，副教授，研究方向为水文水资源． 基金项目：国家自然科学基金资助项目（４１３６１０１５）；吉林省教育厅“十二五”科学技术研究规划项目（吉教科合字 ［２０１５］第３５号） ３７２ 延边大学学报（自然科学版） 第４３卷 １ 流域概况 嘎呀河是图们江流域最大的支流，其干流河 长２０５．２ ｋｍ，流域面积为１３ ５６５ ｋｍ！．嘎呀河发源 于汪清县老松岭三长山峰东南，自北向南纵贯县 式中 ，和Ｓ 为样本均值和方差，Ｔ始终满足 ｔ（ ＋”。一２）．在信度水平Ｔ的情况下，当Ｉ Ｔｌ＞ ｔ 时，说明其存在显著性差异；当ｌ丁ｌ＜ｔ 时， 则接受原假设．对于满足Ｉ Ｔｌ＞ｔ ：所有可能的 点厂，选择使丁统计量达到最大值的点，作为所求 的可能变异点，、。ｌ９ｆ． 境西部，流径东新、天桥岭、大兴沟、东振、汪清、西 崴子、仲安、百草沟新兴等９个乡镇，沿途接纳大 小支流７４条，年流量１２５亿ｍ。，经图们市辖境注 Ｐｅｔｔｉｔｔ检验法是用于检验突变点的一种非参 数统计法，该方法是在序列存在趋势性变化的前 提下，通过检验时间序列要素的均值变化来确定 序列跃变时间的ｌ１ ．Ｐｅｔｔｉｔｔ检验法是直接利用 入图们江，如图１所示．嘎呀河天桥岭以上流域森 林茂密，且多高山峡谷，水流湍急，落差大；天桥岭 以下流量逐增，河道渐宽，蜿蜒曲折，水势平缓，两 岸多为河谷平地．嘎呀河汛期暴雨集中，水量大， 涨势猛，河水易出槽泛滥【 ． 秩序列来检验突变点的，即若ｔ 时刻满足ｋ 一 ｍａｘ ｌＳ ｌ，ｋ一２，３，…，”时，ｋ为序列数，ｔ。点处为 突变点．计算统计量Ｐ一２ ｅｘｐ［－－６ （ 。＋， ）］， 若Ｐ≤０．０５，则认为ｔ点为显著变异点，由此检验 出序列的一级变点；而后以一级变点为界，将原序 列分为两个序列继续检测新的变点，由此检验出 多级变点；最后根据具体成因分析，确定序列 圈 点 ▲ ▲▲ （ｆ）变异点 ” 。Ｉ． 毋 ｉ■＊ Ｉ 小波分析能反映时间序列的内在结构和局部 变化特征，分辨时间序列在不同尺度上的演变特 征【”］．任意函数的对称小波变换是将该函数与平 滑函数进行卷积运算，然后对时间求二阶导数；函 拽 图ｌ嘎呀河流域图 ２研究数据与方法 本文采用的研究数据来源于延边州水利局， 数二阶导数为零时是原函数函数拐点，此拐点可 作为可能的变异点＿ｌ ．连续小波变换系数为： ｒ ｖ ． ， 为１９５６—２０１５年嘎呀河干流天桥岭、东明、汪清 ３个水文站的年径流量数据．采用参数统计法、非 参数统计法和小波分析对该流域水文序列变异进 行综合诊断． 参数统计法采用累积距平法、滑动Ｔ检验法 Ｗ （“，６）一】ａ ｌ Ｊ ＩＸ（ｔ） （ ）ｄｔ． （２） ，一 。 “ 式中： （ｆ）为母小波函数，连续可微； （ｆ）为 （ｆ）的 复共轭函数；ｗ （ｎ，６）为小波变换系数；ａ为尺度 因子；ｂ为时间平移因子．若小波函数在区间内满 分别对嘎呀河年径流量变化趋势和突变时间进行 分析ｌ８ ．累积距平法是根据嘎呀河流域年径流量 累计距平值的分布情况，判断年径流的变化趋势． 足连续可微，则ｌ （“， ）Ｉ≤ｋａ“；若将尺度因子 ａ以二进制离散化，即ａ一２ ，则有１ ｗ （ｎ，６）Ｉ≤ ｋ ２ Ｊ，其中 为小波变换尺度特征，ｋ为常数．由此 可将小波变换与李氏指数联系起来，即小波变换 累积距平值增大，曲线呈现上升趋势，反之则呈下 降趋势，以此初步判断突变时间．滑动Ｔ检验法 是假设突变时间为变异点，’，将变异点前后两序 列总体的分布设为函数Ｆ （ ）和Ｆ：（ ），然后从 系数及模极大值将随尺度特征 或李氏指数。的 变化而变化㈣． ３结果分析与讨论 ３．１ 突变分析 其中分别抽取容量为 和， 的两个样本构造丁 统计量，为 Ｔ一（二＝ 一 ，）／ ３．１．１ 累积距平 将嘎呀河流域１９５６—２０１５年 的年径流数据代人公式（１）进行计算，判断嘎呀河 流域年径流的变化趋势，并绘制累积距平曲线，结 第４期 孙冀程，等：嘎呀河流域径流量的时间变化研究 ３７３ 果如图２所示．图２表明：嘎呀河流域１９５６— ３．２ Ｐｅｔｔｉｔｔ检验 ２０１５年的累积距平总体呈波动下降趋势，其中 通过Ｐｅｔｔｉｔｔ检验法对嘎呀河流域水文序列 １９５６ １９６６年为上升趋势，１９６６—１９８５年为下降 趋势，１９８６－－２００２年的累积距平为波动上升的趋 进行分级检验，结果如图４所示．图像中垂线所对 应的点即为突变点，分别为１９６６、１９８５、２００２、 ２０１２年． 势，２００３－－２０１２年为下降趋势．嘎呀河流域的年 径流变化趋势突变点分别为１９６６、１９８５、１９９５、 １９９９、２００２、２００９、２０ｌ２年． 咖１ ： ：／ ” Ｖ ／、／、～一 Ｖ ：● 螺 迥 １；Ｌ Ｎ鹾 ．。 、＿ —、～ ． 、＼ Ｂ 咖１ 砷。 十 时Ｉ闭 ： ｒ １ 图２累积距平图 、 一，／ ３．１．２ 滑动丁检验 首先选择步长１Ｏ作为第１ 次检测，在０．０１显著性水平的情况下，Ｔ值为 ２．８７８，如图３ ａ所示．图３ ａ中折线的部分表示水 文序列，折线不在（一２．８７８，２．８７８）范围内的年份 为１９８０—１９８６年和１９９５年．由此可知，嘎呀河流 域径流突变的年份可能在１９８Ｏ一１９８６年间和 １９９５年．其次，选择步长为５进行检验，结果如图 ３ｂ所示．由图３ｂ可知，突变年份可能为１９７５年 和１９８５年． 删 ： ‘ 嬲｛ 士 一’ 、． ， ． ． ． ． ．冁 年份 图４ Ｐｅｔｔｉｔｔ检验图 ，／年份 累计距平法、滑动Ｔ检验法、Ｐｅｔｔｉｔｔ检验法 分析突变的结果如表ｌ所示．根据表１，可确定 ａ）ＩＯ步滑动ｒ １９８５、１９９５、２００２、２０１２年为嘎呀河流域水文序列 的突变点，即突变年份． 表１突变检验统计表 检验方法 ９６０ ｌ９６５ １９７０ １９７５ ｌ９８０ １９８５ １９９０ １９９５ ２０００ ２００５ ２ＯｌＯ 发生突变的年份 ｌ９６６，１９８５．１９９５，１９９９，２００２，２０ｌ２ １９８０一ｌ９８６．１９９５ １９７５。１９８５ １９６６，１９８５．２００２。２０ｌ２ 累积距平法 ｆ／年份 滑动Ｔ检验（１Ｏ） 滑动Ｔ检验（５） Ｐｅｔｔｉｔｔ法 ｂ）５步滑动７１ 图３滑动１１检验图 ３７４ 延边大学学报（自然科学版） 第４３卷 ３．３小波检验及反演预测 将嘎呀河流域ｌ９５６ ２０１ 年的年径流数据 代人公式（２）进行小波分析与汁箅，并绘制小波系 数的模平方 ，如图５所示．Ｆ｝１罔５可知，水文序 列小波变换有２个最强的震动ｒｆ１心。分别为 １９８５ ２０１ ５年和１９６５ ２０ｌ５年，其周期分别为５ 年和２５年，但周期２５年未能够通过显著性检验． 因此嘎呀河流域水文序列的怙Ｊ期为５年． “‘ ｗ ｇ 。 ａ２’Ｇ 。ｂ ｗａ、ｅＬ ｃｔ ｓ 盯ｕ ＇ 口 －． ． ４ 。。 矗， １。 畸 ‘ 一 里 ＼ ● ． 、 。 墨 ‘ ＾ ’ ｛ ‘ １６ 口 ．１一■０ ’ ３ １ ． ３２一－～一一 ● ～ 一，… 一 一一 Ｆｉｍｅ／ｙｅａ￣Ｐｏｗｅｒ／ｍｍ 图５小波系数的模平方图 对 年周期进行反演预测。推测水文序列后 续周期的情况，并通过Ｍａｔｌａｂ绘制反演预测 ， 如图６所示．冈ｒ｝Ｊ的心电网状ｆ¨１线为原始序列．波 浪状的｝抖｛线为预测序列．南网可以看 ，两 线波 动周期均为５年，符合小波检测的结果． 血《 蜒 图６反演预测图 ４ 结束语 本文采用水文序列变异综合诊断的方法。对 嘎呀河流域水文时间序列进行分析，结果表明： ①嘎呀河流域水文序列存在突变；②突变年份为 １９８５、１ ９９５、２００２、２０１２年；③通过小波检验和反 演预测表明．嘎呀河流域水文序列突变的周期为 ５年．本文所得结果与流域实际调查情况相吻合， 说明本文方法可靠、准确，可为其他流域的水文研 究提供借鉴．由于河流流域内人类活动的影响，如 水利Ｔ程的建设、农田水利设施的修建等都会使 流域内的水丈序列发生很大变化，冈此存今后的 研究过程叶１，将进一步研究人类活动对嘎呀河流 域径流的影响，以期得到更为准确的研究结果． 参考文献： ［１］ 马静．陈广圣．图们汀流域 流序列变异诊断［Ｊ］．占 林水利 ２（）１４（４）：３５—３７． ［２］ 徐 玲．秦雷，熊琪，等． 仃Ｊ江干流ｆ：、ｒＩｔ、Ｆ游径 流演变规律［Ｊ ．延边大学农学学报，２Ｏ１ ３．３５（２）： ９３—９７． ［３］ 徐万玲．术＿ｒＪ红．．等．荩＿『洛仑兹ｆｆｆ１线的 们 汀十流 问径流分布不均匀 分析［Ｊｊ．水土保持通 报．２（）ｌ ５．３５（１）：ｌ２８一ｌ３２． ［４］ 金成 ．帏京龙．基于Ｍａｎｎ Ｋｅｎｄａｌｌ检验的嘎呀河 流域降水变化趋势及突变分析［Ｊ］．吉林水利．２（）１ ３ （１ ２）：６２—６６． Ｅｓ］金哲．金海龙，朴明世．等．哩呀河水资源观状分析 ｒＪ］．东Ｊ匕水利水电．２Ｏｌ０．２８（¨）：３５～３６． ［６］ 张丹蓉．郭勉辰，夏冬梅。等．海流兔河径流景年内 分 及变化趋势分析［Ｊ］．水史，２０１ ３，３３（３）：８５—９０． ［７］ 延边一 鲜族自治州水利志Ｅｚ］．延吉：延边＿中）ｊ鲜族自 治州水利局，２Ｏ１０． Ｅｓ］ 张成华．，术献 ．水文气象 列趋势分析 变异诊 断的方法硬其对比［Ｊ］．｝ 区地理。２０ｌ ５．３８（ １）： ６５２ ６６５． ［９］雷红富．谢平，陈广 ‘，等．水文序列变异点检验方 法的性能比较分析［Ｊ］．水电能源科学，２００７（４）：３６ １０． ［１（）］ ｗｃＩ）ｃｒ Ｋ．Ｓｔｅｗａｒｔ Ｍ．Ａ ｃｒｉ，１ｉｃａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕ ｍｕｌａｔｉｖｅ ｒａｉｎｆａｌｌ ｄｅｐａｒｔｌｉｆｅ ｃｏｎｃｅｐｔ¨］．（；ｒｏｕｎｄ Ｗａｔｃｒ．２００４．４２（６）：９３５【ｊ３８． ［１１］ Ｐｅｔｔ１ｌｔ Ａ Ｎ．Ａ ｎｏｎ—ｐａｒａｍｅｔｒｌｃ ａｐｐｒｏａｃｈ“）ｔｈｅ ｃｔ￣ａｎｇｅ—ｐｏｉｎｔ ｐｒｏｂｌｅｍＥＪ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ．１ ）７９． ２８（２）：ｌ ２６ １３５． ［１２］ 张晓 ．张橹， 勇．等．黄河中游地区年径流对土 地利』｛ｊ变化时空响应分析［Ｊ］．中国水土保持科学， ２００９。７（１）：ｌ ９—２６． ［】３］ 肖『１ＩＩｌ『英．岗翔，彭勇文．鄱 湖流域径流序列多种 变异榆洲方法的比较［Ｊ］．南昌Ｔ程学院学报， ２０ｌ６．３５（６）：８５ ８９． ［１４］ 周 ．师Ｋ兴，范小黎．等．国内水文序列变异点 分析方法及存各流域应川研究进展［Ｊ］．地理科学 进展，２（）１１，３Ｏ（１１）：１ ３６１—１ ３６９． ［１ ］ 桑燕芳，Ｅ巾根，刘吕明．小波分析方法在水文学 研究『ｆ１的应用现状及展望［Ｊ ．地理科学进展． ２０】３．３２（９）．】４】３一】４２２．
